«Фотоэффект. Законы фотоэффекта»

Государственное бюджетное

профессиональное образовательное учреждение

Республики Мордовия

«Темниковский сельскохозяйственный колледж»

Методическая разработка

учебного занятия по дисциплине «Физика»

на тему:«Фотоэффект. Законы фотоэффекта»

2016

Горшкова Л.Ф. «Фотоэффект. Законы фотоэффекта».

Методическая разработка учебного занятия по дисциплине «Физика»- Темников, 2016 г., 14 л (0,8 п.л.)

В данной методической разработке на тему: «Фотоэффект» дана методика проведения учебного занятия на основе педагогических инновационных технологий. Разработка занятия направлена на обобщение и систематизацию знаний студентов, на освоение теоретического материала, на творческую самостоятельную поисково-аналитическую работу студента, самореализацию личности студента путем применения форм и методов технологии проблемного обучения.

Методическая разработка рекомендована преподавателям физики среднего профессионального образования для внедрения в учебно-воспитательный процесс технологии проблемного обучения.

Тема занятия: «Фотоэффект. Законы фотоэффекта»

Цель занятия: студенты должны иметь представление о явлении фотоэффекта, знать законы фотоэффекта и уравнение фотоэффекта.

Задачи занятия.

Образовательные:

познакомить студентов: с явлением фотоэффекта; с историей его открытия и законами фотоэффекта;  объяснить физическую природу этого явления.

Воспитательные:

воспитывать внимание, чувство ответственности, прививать интерес к предмету.

Развивиающие:

 развивать логику, познакомить студентов с эмпирическим и теоретическим уровнями познания научных фактов и закономерностей

Вид занятия: изучение нового материала.

Тип занятия: комбинированный

Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, электронные издания “Уроки физики в 11 классе” (Кирилл и Мефодий) Информационные объекты. Анимация: СD "Открытая физика 1.1 Часть 2", “Физика,7-11” (Физикон); раздел Квантовая физика “Фотоэффект”

Наглядные пособия: электроскоп, цинковая пластинка, эбонитовая и стеклянная палочки, стекло, источник ультрафиолетовых лучей, учебники Дмитриев «Физика», видеофрагмент с демонстрацией явления фотоэффекта, презентация «Фотоэффект», портреты Эйнштейна, Герца, Столетова,

Методическая цель: использование информационных технологий при изучении нового материала, рациональное использование современных и традиционных методов обучения.

Ход занятия

1.    Организационный момент. Проверка отсутствующих по рапорту дежурного

Проверка готовности аудитории к уроку

    2. Проверка знаний студентов.

- устный счет: какие физические величины обозначаются данными буквами и в каких единицах они измеряются - Е, ν, λ, υ, m, A, c, Ек.

- записать формулы кинетической энергии, скорости волны,  чему равна скорость света в вакууме,

- какие виды электромагнитного излучения  мы уже знаем? (инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое, рентгеновские),

- условие  возникновения электромагнитных волн? (движение заряженной частицы)

- каков механизм  излучения инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучения?

Остановимся на инфракрасном излучении: нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения электромагнитных волн, должно охладиться до абсолютного нуля.

Однако повседневный опыт показывает, что ничего подобного не происходит.

В поисках выхода из этого противоречия  немецкий физик Макс Планк  предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию порциями- квантами.

Фрагмент видео-урока «Квантовая гипотеза Планка»

http://interneturok.ru/physics/11-klass/kvantovaja-fizika/kvantovaya-gipoteza-planka (Слайд 2)

3. Работа над изучаемым материалом.

1.Постановка целей урока.

Квантовая теория света была выдвинута Максом Планком 14 декабря 1900 года на собрании Немецкого физического общества, где он высказал мысль о том, что энергия излучения состоит из отдельных малых и неделимых частей – квантов или фотонов. (Слайды 3-4)

Фотон и его свойства (Слайды 5-8)

Фотон- материальная, электрически нейтральная частица лишенная массы покоя.

Основные свойства фотона

• Является частицей электромагнитного поля

• Движется со скоростью света

• Существует только в движении

• Остановить фотон нельзя: он либо движется со скоростью света, либо не существует; следовательно, масса покоя фотона равна нулю.

Энергия фотона: E = hv,

Масса фотона:

Импульс фотона:  

Сегодня вы познакомитесь с явлением которое доказало, что гипотеза    Планка  верна.

Запишем тему урока. На этом занятии вы не только узнаете что такое фотоэффект, но мы с вами объясним физическую природу этого явления, установим законы, которым оно подчиняется, и познакомимся с новой теорией объясняющей природу света и невидимых лучей. (слайды 9-10)

Явление же фотоэффекта было открыто Генрихом Герцем. Однако в России исследованием этого явления занимался Александр Григорьевич Столетов. Его имя по праву стоит в числе первооткрывателей фотоэффекта. (Слайд 11)

А теперь давайте выясним на опытах в чем суть этого явления.

Опыт №1. Цинковую пластину зарядить отрицательно от эбонитовой палочки. Засечь время разрядки электрометра и занести данные в таблицу.

Опыт №2. Цинковую пластину зарядить положительно от стеклянной палочки. При облучении светом пластинки, стрелка электрометра не подвижна.

Почему пластинка не теряет заряд под действием света?

Опыт 3. Медную пластинку зарядим отрицательно. Записать время разрядки электрометра в таблицу. Давайте сравним результаты.

Почему время не одинаковое, в чём может быть причина?

Итак, а теперь давайте подведём итог нашим опытам и рассуждениям и сделаем выводы:

Тело теряет заряд только в том случае, если оно заряжено отрицательно.

Причиной ухода зарядов в цинковой пластине является свет, причём под действием квантов света выбиваются только электроны.

Интенсивность выбивания электронов зависит от рода металла.

Похожие опыты проводил  Генрих Герц, который открыл явление фотоэффекта 1887 году.

И на основе данных выводов можно дать определение фотоэффекта. (слайд 12)

4. Объяснение нового материала

Фотоэффект – явление вырывания электронов из вещества под действием света. Фотоэффект   бывает внешним и внутренним.(слайд 13)

Опыты Столетова по наблюдению и исследованию фотоэффекта. 

В чем заключается явление фотоэффекта?  (в вырывании электрона из вещества под действием света)

Какова особенность фотоэффекта? (без инерционность)

Опыты  и законы Столетова.

http://interneturok.ru/physics/11-klass/kvantovaja-fizika/opyty-a-stoletova-yavlenie-fotoeffekta

Изучением явления фотоэффекта вплотную занимался А.Г. Столетов. Опыты Столетова.

В стеклянный баллон, из которого откачан воздух, помещены два электрода. Внутрь баллона на один из электродов через кварцевое окошко, поступает свет. На электроды подаётся напряжение, которое можно изменять и измерять. Сначала электрод, на который падает свет, подключают к отрицательному полюсу батареи. Под действием света этот электрод испускает электроны, которые при движении в электрическом поле образуют электрический ток. При малых напряжениях не все электроны достигают другого электрода. При увеличении напряжения (без изменения интенсивности света) сила тока нарастает. Но при некотором значении она перестаёт увеличиваться. Это значение силы тока называется током насыщения. Он определяется числом электронов, испущенных за 1 с освещаемым электродом. Увеличивая интенсивность света, увеличивается ток насыщения.

I закон фотоэффекта.  Количество электронов, вырываемых светом с   поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.

Из графика видно, что при нулевом значении напряжения сила тока отлична от нуля. Это означает, что часть электронов достигают другого электрода и при отсутствии напряжения. Если изменить полярность электродов, то при некотором значении напряжения ток в цепи станет равным нулю. Это напряжение называется задерживающим (Uз). mV²/2=eU₃

При изменении интенсивности света задерживающее напряжение не меняется. С точки зрения волновой теории этот факт не понятен.

Кинетическая энергия электронов зависит только от частоты света.

II закон фотоэффекта. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

Если частота меньше определённого для данного вещества минимальной частоты ν_min, то фотоэффект  не происходит.

III закон фотоэффекта. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта – наименьшая частота (или наибольшая, «красная», длина волны) при которой еще возможен фотоэффект. (слайд 14)

В экспериментальных законах Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями.

Энергия каждой порции: E=hν, где h-постоянная Планка, h=6,63*10-34Дж*с. Поглотиться может тоже только  вся порция.(Слайд 15-16)

Энергия порции света идёт на совершение работы выхода А, т.е. работы, которую нужно совершить для извлечения электрона из металла, и на сообщение электрону кинетической энергии.

hV=A+mV²/2 - уравнение Эйнштейна.(Слайд 17)

Для каждого вещества фотоэффект наблюдается, если частота ν света больше минимального значения  ν_min, т.е.  hvA. Предельную частоту  ν_min называют красной границей фотоэффекта. Для длины волны:  λ_max= C/V_min.   ν_min= A/h. Работа выхода зависит от рода вещества. Поэтому красная граница для разных веществ различна. (Слайд 18)

 Вывод:

(Слайд 20)

5. Закрепление.

1.  Тренажер из диска  Кирилла и Мефодия «Физика 11 класс»

2. Тестирование из 5 вопросов диска  Кирилла и Мефодия «Физика 11 класс»

3.  Ответим на вопрос, который был задан в начале занятия.

4.Работа с карточками по закреплению полученных знаний.

Установите соответствие. Критерии оценки:

«5»-5 верных ответов   «4»-4 верных ответов  «3»-3 верных ответа.

5.  Решим задачу в общем виде.

Задача: Определите частоту света, которым освещается поверхность металла, если фотоэлектроны имеют кинетическую энергии 4,5*10-20Дж, а работа выхода равна 3,3*10-19Дж.

5. Закрепление материала.

П.: Отвечая на поставленные вопросы, построим «Дерево» - опорного конспекта темы.

Назовем «Дерево» - квантовая природа света.

П.: Что является корнями нашего «дерева»?

С.: Гипотеза Планка.

П.: На основе гипотезы Планка были сформулированы основные положения квантовой природы света.

С.: Квант, мгновенно, неделимый, энергия….

П.: как назвали квант?

С.: Квант назвали фотоном.

П.: Характеристики фотона.

С.: Масса, энергия, импульс.

П.: Формулы для определения массы, энергии и импульса фотона.

С.:  m=hV/C²,  E=mC², E=hV и  P=mc

П.: Какое явление было открыто и объяснено квантовой теорией света?

С.: Фотоэффект.

П.: Кто исследовал это явление?

С.: Столетов.

П.: Условие для возникновения фотоэффекта?

С.: Энергия фотона, приобретенная электроном должна быть больше либо равна работе выхода hV_minA_вых.

П.: Какое уравнение объясняет фотоэффект?

С.: Уравнение Эйнштейна  hV=A_вых = m_e V² /2

П.: Как называется предельная частота или наибольшая длина волны, при которых еще можно наблюдать фотоэффект?

С.: Красная граница фотоэффекта.

П.: Чему равна красная граница фотоэффекта?

С.: V_min =A_вых /h, λ_max = Ch/A_вых .

6. Обобщение знаний.

П.: Обобщим полученные знания, разгадав кроссворд.

 Кроссворд

П.: Ответить на вопросы. Назвать ключевое слово.

1. Огибание световыми волнами границы непрозрачных тел и проникновение света в область геометрической тени.

2. Русский физик, который исследовал фотоэффект и получил уравнение для фотоэффекта.

3. Физик, создавший корпускулярную теорию света.

4. Часть физики, которая рассматривает световые явления.

5. Кто развил идею Планка и объяснил явление фотоэффекта.

6. Элементарная частица, лишенная массы покоя и обладающая энергией и импульсом.

7. Как называется сложение двух или нескольких волн с одинаковым периодом, в результате которого, в одних точках пространства происходит увеличение, а в других уменьшение амплитуды результирующей волны.

8. Физик, открывший явление фотоэффекта.

9. Минимальное количество энергии, которое может излучать и поглощать тело.

10. Поток частиц материи - фотонов, распространяющихся в вакууме со скоростью

3*108 м/с.

7. Подведение итогов занятия; задание на дом.

П. Дает характеристику работы группы на занятии в целом, а также отдельных студентов, выставляет и комментирует оценки.

П.: Дополнить классный конспект новой темы материалом из учебника В.Ф. Дмитриева §§ 190, 191, 193.

Выучить формулы и обозначения физических величин, так как на следующем занятии эти знания пригодятся для решения задач.

Повторить волновые свойства света. Знание волновых и квантовых свойств света позволит нам познакомиться с новым для нас понятием корпускулярно-волновой дуализм света.

8. Рефлексия.

Преподаватель: Предлагает проанализировать свою деятельность на занятии.

Студенты: Анализируют, записывают свои мысли на листочках, которые Преподаватель заранее выдал им на парты.

1.         Сегодня на занятии я научился:

2.         Сегодня на занятии мне понравилось:

3.         Сегодня на занятии мне не понравилось:

Информационные источники

1. Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образоват. учреждений нач. и сред. проф. образования М.: Академия, 2011

2. http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/chapter5/section/paragraph2/theory.htm - открытая физика (часть 1)

3. http://ency.info/materiya-i-dvigenie/fotometriya/388-fotoeffekt - Школьная энциклопедия

4. http://interneturok.ru/physics/11-klass/kvantovaja-fizika/opyty-a-stoletova-yavlenie-fotoeffekta - Опыты А. Столетова. Явление фотоэффекта